2) синхротроны (+)
3) ускорители Ван де Граафа
4) бетатроны
Для лучевой терапии тяжёлыми ионами применяют синхротроны. В таком ускорителе заряженные частицы, например ядра углерода, многократно проходят по замкнутой орбите, а синхронно изменяемые электрическое и магнитное поля повышают их энергию и удерживают пучок на заданной траектории. Синхротрон позволяет получать терапевтически значимые энергии тяжёлых ионов — сотни МэВ на нуклон — и точно регулировать энергию выведенного пучка, от которой зависит глубина его проникновения в ткани.
Клиническая эффективность метода основана на формировании пика Брэгга: основная часть энергии ионизирующей частицы выделяется в конце её пробега. Изменяя энергию ионов, пик располагают на глубине опухоли, а последовательным наложением нескольких энергетических слоёв формируют расширенный пик Брэгга, охватывающий весь объём мишени. Тяжёлые ионы также характеризуются высокой линейной передачей энергии и повышенной относительной биологической эффективностью в области пика, что способствует образованию сложных, трудно репарируемых повреждений ДНК опухолевых клеток.
Микротроны и бетатроны предназначены преимущественно для ускорения электронов и могут использоваться как источники электронного либо тормозного фотонного излучения, но не являются стандартными установками для формирования высокоэнергетических терапевтических пучков тяжёлых ионов. Ускорители Ван де Граафа создают высокое постоянное напряжение и ускоряют заряженные частицы однократным прохождением электрического поля, однако достижимые энергия, интенсивность и диапазон управления пучком недостаточны для современной глубинной тяжёлоионной терапии.
| Тип ускорителя | Основные ускоряемые частицы | Принцип действия | Значение для лучевой терапии |
|---|---|---|---|
| Синхротрон | Протоны и тяжёлые ионы, включая углерод | Многократное ускорение по кольцевой орбите при синхронном изменении электрических и магнитных полей | Основной тип ускорителя для клинической тяжёлоионной терапии; обеспечивает требуемую энергию и её ступенчатое регулирование |
| Микротрон | Электроны | Повторное прохождение электронов через ускоряющий резонатор по орбитам возрастающего радиуса | Применим как источник электронного или фотонного излучения, но не для стандартного ускорения тяжёлых ионов |
| Бетатрон | Электроны | Индукционное ускорение переменным магнитным полем по замкнутой орбите | Исторически использовался для получения высокоэнергетических электронов и тормозного излучения |
| Ускоритель Ван де Граафа | Электроны, протоны и лёгкие ионы | Однократное ускорение электростатическим полем высокого напряжения | Используется преимущественно в исследованиях и отдельных низкоэнергетических установках; энергия ограничена |
| Регулирование глубины облучения | Определяется энергией ионов | Синхротрон выводит частицы с различными заданными энергиями | Позволяет послойно сканировать опухоль и формировать распределение дозы по её глубине |
| Дозиметрическое преимущество | Высокоэнергетические тяжёлые ионы | Максимум энерговыделения возникает в конце пробега частицы | Высокая доза в мишени при сравнительно низкой входной и минимальной выходной дозе |
Тяжёлоионная терапия требует не только ускорителя, но и системы формирования, транспортировки, сканирования и прецизионного дозиметрического контроля пучка. Особенно распространены ионы углерода, сочетающие благоприятное пространственное распределение дозы с высокой биологической эффективностью. Метод наиболее ценен при радиорезистентных и глубоко расположенных опухолях, находящихся рядом с критическими органами. Современные комплексы развиваются в направлении компактных сверхпроводящих синхротронов, многовидовых ионных пучков и трёхмерного сканирующего облучения.